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冷衝模凹模大直徑圓孔磨削加工技術

2017-6-16 來源：南京（jīng）長（zhǎng）江電子信息產業集團有限公司作者：丁偉

       摘要: 加（jiā）工冷衝模凹模的大直徑內孔時，因（yīn）尺寸超過機床行程。普通坐（zuò）標磨床無法完（wán）成加工，因（yīn）此設計時對凹模相關結構進行調整，同時在保（bǎo）證（zhèng）產品精度的前提下，利用加工中心代替坐標磨完（wán）成相關尺寸的加（jiā）工。

      關鍵（jiàn）詞: 加工中（zhōng）心; 磨削; 大直徑（jìng）凹模

      冷衝模是衝裁（cái）電機定轉子矽鋼（gāng）片的重要加工手段。

     近年來，市場上越來越多大尺（chǐ）寸（cùn）的電機芯片也開始要求（qiú）冷衝（chōng）模加工。按常識設計，與產品的尺寸相對應，模具的部分重（chóng）要零件（jiàn）如凹模的尺寸偏大，超過（guò）了企業（yè）原有的一（yī）些機床的行程。同時，用戶對產品外形的公差要求依然保持（chí）較高的（de）要求。為（wéi）保證零件的加工，需要（yào）在設（shè）計（jì）加工（gōng）中進行創新。本（běn）文針對大直徑定轉子模具的凹模加工（gōng），通過對模具設計及（jí）加工手段進行創新，
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     充分挖（wā）掘（jué）企業原有機床的潛力（lì）。滿足用戶對產（chǎn）品的要求。

     1 、冷衝模凹模原有設計及加工工藝

     冷衝模是（shì）利用凸模、凹模的間隙配合，衝出產品的外形尺寸。衝裁直徑小（xiǎo）於 200 mm 電機定轉子矽鋼片的凹模通常采用（yòng）整體（tǐ）設（shè）計（jì）。因凹模需要一定的（de）硬度，一般是（shì）以硬質合金或硬度較高的工具鋼為材料加工成一個（gè）圓（yuán）環整體，鑲嵌在凹模固定板或固定在下墊板上。內孔常用（yòng）加工手段為銑（xǐ）削、車削、切割。因生產中凹模材質一（yī）般采用硬質合金，材料硬度大於 60HＲC，硬度太高無法切（qiē）削（xuē）。同時，凹模對成形的尺寸精（jīng）度及圓度要（yào）求達到（dào） ± 0． 003 mm．因此內孔加工一般（bān）分（fèn）以下2 種情況。

     ( 1) 對（duì）於如導正釘孔或排氣孔等 20 mm 以下的小（xiǎo）直徑圓孔，采用慢走絲 1 次粗切 3 精（jīng）修（xiū）的精加工方式將內孔（kǒng）成形在一台機（jī）床上（shàng）一次加工到位。

     ( 2) 而對於衝裁 20 mm 以上圓孔及直徑更大的（de）定轉子凹模孔，加工分兩步完成。先采用 1 次切（qiē）割加工圓孔留單麵 0． 15 mm 餘（yú）量，再由坐標磨磨削內孔修正成（chéng）形尺寸。可以得到較高的尺寸精度、圓度及表麵粗糙度。

     原（yuán）因是，慢走絲隻有（yǒu）采用多次精修，所加（jiā）工零件的尺寸及形位公差（chà）才能達到（dào）較高的精（jīng）度要（yào）求。缺點在於，大直徑圓孔采用（yòng） 1 次粗切 3 精修加工，加工成本（běn）過高。而 1 次切割無法達到產品的精（jīng）度要求。並且（qiě）加工大（dà）尺寸（cùn）成形時也（yě）受慢走絲行（háng）程限製，當加（jiā）工（gōng）的成形（xíng）尺寸大於機床行程，則（zé）需移位加工（gōng）。零（líng）件可（kě）能因多（duō）次定（dìng）位，增加尺（chǐ）寸誤差（chà）。並且（qiě）慢走絲（sī）切割零件時，是（shì）通過放電氣（qì）化（huà）加工區材料，因此零件（jiàn）表（biǎo）麵會有（yǒu）一層硬化氧化層，表麵粗（cū）糙度超過Ｒa1． 6 μm，鉗工修研工作量（liàng）比較大。而采用磨削加工，則可以彌補上述缺點。

     2 、新（xīn）產品帶來（lái）的問題分析

     公司承接的產品外形為 590 mm，遠超大部分機床的加工行程，公司行程（chéng）最大的慢走絲 x 向行程為550 mm，y 向行程 350 mm，連內孔粗加工都無法一次切割完成。而坐標（biāo）磨磨（mó）頭（tóu）行程也僅能完成最（zuì）大 220mm 的內（nèi）孔加工。這在給加工（gōng）帶來很大的難題。產品的外徑（jìng）大，則（zé）凹模內徑隨之增大。主要（yào）難點為以下 2 點:

     ( 1) 冷衝（chōng）模衝孔時，凹（āo）模需要按產品尺寸放衝裁間隙。當（dāng）產品直徑為 590 mm 時，凹模內徑自然也需要（yào）大於 590 mm，多數機床都（dōu）無法滿足產品的加工要求．因以往加（jiā）工的定轉子產品很少有外徑大於 200mm。采購機床時，考慮到經濟性，企業多數機床的配置行程都在行程 300 mm 以內。坐標磨磨頭行程僅為220 mm。

     如為產（chǎn）品投（tóu）資新設（shè）備，則將增加企業生產成本。加上大型（xíng）電機產品的市場相對較小，因此新設備的利用率不高。非常不經濟。如外協加工則周期不能保證（zhèng）。

     ( 2) 凹模直徑（jìng）越（yuè）大，則加工中（zhōng）產生的變形量也隨之加（jiā）大。加工工藝必須要（yào）保證零件（jiàn）的（de）尺寸及形位公差以（yǐ）滿足要求。

     3 、對模具結構進行科（kē）學設計並革新（xīn）加工工藝（yì）

     如前文所（suǒ）說，內孔直徑較大的凹模成形加工分切割粗加（jiā）工、磨削精加工兩部（bù）分。

     3． 1 對凹模成形（xíng）粗加工的（de）解（jiě）決方案

     針對凹模尺寸大，粗加工受慢走絲機床行程限製（zhì）的問題。在（zài）設計時采用多個凹模拚塊拚接成一（yī）個（gè）整體（tǐ）凹模。各拚塊尺寸設計為小於慢走絲機床工作行程。粗加工時（shí），各塊獨立加工，各拚塊成形切割時留單麵0． 2 mm 餘量，並同時將銷孔 1 次（cì）粗切 3 精修加工到位，便於裝配時定位。最後，將（jiāng）凹模拚（pīn）塊在模座上進行固定，磨削內孔去除加工（gōng）餘量。

     3． 2 對凹模內孔磨（mó）削的解決方案

    磨削加工的優點在於（yú）凹模經過粗加工，應力已經得到釋放，而磨削零件時加工區溫度相對低，產生的應（yīng）力變形很小，因此凹模形腔通過磨削（xuē）可以得到較高的圓度（dù），而且磨削後零件表麵（miàn）粗糙度好，可（kě）以減少甚至不需要進行後期拋光處理。因此精加工依然采用磨（mó）削（xuē）。

     由小凹（āo）模拚塊組成大凹模，解決了粗加工時的機床限製。然而磨削仍然（rán）需要在組裝成整體後加工。而單位現有的（de）坐標磨床行程是無法滿足要求（qiú）的。而無論是大行程的坐標磨或立式內圓磨價（jià）格都比較高，臨時采購也不現實（shí）。如果外協加工，外協費用太高，也會對模具成本帶（dài）來不利的影（yǐng）響，並且周期難以保證。因此必須找出可行（háng）的代替方（fāng）案。

     坐標磨機床的磨削機構能完成三種運動（dòng）: 砂輪的高速自轉( 主運動) 、行星運動（dòng）( 砂輪回轉軸線的圓周運動) 及砂輪沿機床主軸軸線方向的直線往複運動。坐標（biāo）磨磨削內孔就是利用砂輪在圓孔內進行軸向往（wǎng）複行星運動，對內孔進行（háng）加工( 如圖 1) 。

    前麵提到坐標磨采用上下螺旋沿凹模形腔進行磨削（xuē）。而這種加工方式，其實在加工中心（xīn）上也有類似的模式。我廠的加工中心就可以做到螺旋下刀的走刀路徑。並（bìng）且加工中心的（de） X，Y 向加工行程可以達到2 000mm × 800 mm。行程上可以滿足 590 mm 內圓的加工。因此需要將加工（gōng）中心與坐標磨的一些基礎數據進行（háng）對比、換算。通（tōng）過對（duì）比性能數（shù）據，判定（dìng）是否可以給加工中心設計專用刀柄安裝上（shàng）砂輪，並利用加工中心磨削凹模。

    坐標磨（mó）主軸轉速範圍一（yī）般在 4 500 ～ 45 000r /min，砂輪直徑一般（bān）為需要加工孔內徑的 80% ～90% 。不過當內孔直徑大於 50 mm，砂輪（lún）直徑上限一般為 40 mm。

     用坐標磨磨削硬度高的材料時，砂輪（lún）的線速度為25 m / s。而加工中心的主軸（zhóu）轉速雖（suī）然沒有坐標磨主軸轉速高，然而最高也可（kě）達 10 000 r /min線速（sù）度的計算公（gōng）式為:
V = πDN /1000V 為砂輪線速度，m / s; D 為砂輪（lún）外徑（jìng），mm; N 為砂輪轉速 r /min。通（tōng）過計算，可以得知，當加工中心主軸轉速（sù）為6 000 r /min 時，采用 80 mm 的（de）砂輪可以得到相應的線速度。

     最後，加工中心的加工精度也可以達到 ± 0． 003mm。能夠滿足產（chǎn）品的（de）精（jīng）度要求。因此，決（jué）定利用加工（gōng）中心代替坐（zuò）標磨完成內孔的磨削工作。

     4 、創新方案（àn）的注意事項

     加工中心代替坐標磨也需要注意到磨削（xuē）時砂輪與工件摩擦會產生細微（wēi）顆（kē）粒。如（rú）在加工過程中不加處理，一旦細（xì）微顆粒進入加工中心的運動（dòng）部（bù）件，就會對加工中心運動部件產生磨損，降低（dī）加工中心的加工精度及壽命。因此在主軸上方固定一吸塵（chén）管，盡量收集細微顆粒，以減（jiǎn）少對加工（gōng）中心機（jī）床的不利影響。

     加（jiā）工中心也缺乏數控坐標磨機床對砂輪的磨損進行自動補償的功能（néng），因（yīn）此加工中要注意多對砂輪及圓孔內（nèi）徑進行測量並及時在程序中進行補償。

     5 、改進後產生的（de）效（xiào）益

     改進設計（jì）及工藝後，加工出的產品滿足了產（chǎn）品的性能（néng）要求。利用上述設計及加工方式，將模具的加工難度控製在用廠內設備可以完成的水平，又可以保證產品的生產周期可控。為承接相應高附（fù）加（jiā）值的模具走出了成功的路子（zǐ），也為企業增加了新的利潤增長點。從成本上說，僅需自製一套專用刀柄，避免了（le）設備投資給企業增加固定資產負擔（dān）。僅避免（miǎn）設備采置一（yī）項，就可以為企業減少幾百萬元的支出，如一台一（yī）般立式內圓磨需要 150 萬元，一台進（jìn）口數控（kòng）坐標磨床需要 500萬元。

     6、結語

    大直徑定轉子模具因為尺寸大，對加工（gōng）設備（bèi）要求高，國內能設計生產相應模具廠家少，利潤也比普通衝（chōng）裁模利潤大（dà）。通過對凹模結構的調整（zhěng），並利用加（jiā）工中心磨削內孔（kǒng）完成（chéng）此類模具的生（shēng）產，有利於提升國內模具的技術水平。為同（tóng）類產品的生產研發打下良好的基礎。

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